Objecten met afmetingen in het nanometerbereik, zoals de moleculaire bouwstenen van levende cellen of nanotechnologische apparaten, worden continu blootgesteld aan willekeurige botsingen met omringende moleculen. In dergelijke fluctuerende omgevingen moeten de fundamentele wetten van de thermodynamica die onze macroscopische wereld beheersen, worden herschreven. Een internationaal team van onderzoekers uit Barcelona, Zürich en Wenen ontdekten dat een nanodeeltje gevangen met laserlicht tijdelijk de beroemde tweede wet van de thermodynamica schendt, iets dat onmogelijk is op menselijke tijd- en lengteschaal.

Ze rapporteren over hun resultaten in het nieuwste nummer van het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Verrassingen op nanoschaal

Het kijken naar een omgekeerd afgespeelde film maakt ons vaak aan het lachen omdat er onverwachte en mysterieuze dingen lijken te gebeuren:glasscherven die op de grond liggen, beginnen langzaam naar elkaar toe te bewegen, op magische wijze in elkaar zetten en plotseling springt er een intact glas op de tafel waar het zachtjes tot stilstand komt. Of sneeuw begint te vallen uit een waterplas in de zon, gestaag groeiend totdat een hele sneeuwpop verschijnt alsof hij door een onzichtbare hand is gevormd. Als we zulke taferelen zien, we realiseren ons onmiddellijk dat er volgens onze dagelijkse ervaring iets buitengewoons is. Inderdaad, er zijn veel processen in de natuur die nooit kunnen worden teruggedraaid. De natuurkundige wet die dit gedrag vastlegt, is de gevierde tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat de entropie van een systeem - een maat voor de wanorde van een systeem - nooit spontaan afneemt, dus de voorkeur geven aan wanorde (hoge entropie) boven orde (lage entropie).

Echter, wanneer we inzoomen op de microscopische wereld van atomen en moleculen, deze wet verzacht en verliest zijn absolute strengheid. Inderdaad, op nanoschaal kan de tweede wet vluchtig worden geschonden. In zeldzame gevallen, men kan gebeurtenissen waarnemen die nooit op macroscopische schaal plaatsvinden, zoals bijvoorbeeld warmteoverdracht van koud naar warm, wat in ons dagelijks leven ongehoord is. Hoewel de tweede wet van de thermodynamica gemiddeld blijft gelden, zelfs in systemen op nanoschaal, wetenschappers zijn geïntrigeerd door deze zeldzame gebeurtenissen en onderzoeken de betekenis van onomkeerbaarheid op nanoschaal.

Nanodeeltjes in laservallen

Onlangs, een team van natuurkundigen van de Universiteit van Wenen, het Instituut voor Fotonische Wetenschappen in Barcelona en het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich zijn erin geslaagd de waarschijnlijkheid van gebeurtenissen die tijdelijk de tweede wet van de thermodynamica overtreden, nauwkeurig te voorspellen. Ze testten onmiddellijk de wiskundige fluctuatiestelling die ze hadden afgeleid met behulp van een kleine glazen bol met een diameter van minder dan 100 nm die in een val van laserlicht zweefde. Dankzij hun experimentele opstelling kon het onderzoeksteam de nanobol vastleggen en op zijn plaats houden, en, verder, om zijn positie in alle drie de ruimtelijke richtingen met voortreffelijke precisie te meten. In de val, de nanobol rammelt in het rond door botsingen met omringende gasmoleculen. Door een slimme manipulatie van de laserval koelden de wetenschappers de nanobol tot onder de temperatuur van het omringende gas en, daarbij, breng het in een niet-evenwichtstoestand. Vervolgens zetten ze de koeling uit en keken hoe het deeltje zich ontspande naar de hogere temperatuur door energieoverdracht van de gasmoleculen. De onderzoekers merkten op dat de kleine glazen bol soms, hoewel zelden, gedraagt ​​zich niet zoals je zou verwachten volgens de tweede wet:de nanobol geeft effectief warmte af aan de warmere omgeving in plaats van de warmte te absorberen. De theorie die de onderzoekers hebben afgeleid om het experiment te analyseren, bevestigt het opkomende beeld over de beperkingen van de tweede wet op nanoschaal.

Nanomachines uit evenwicht

Het experimentele en theoretische kader gepresenteerd door het internationale onderzoeksteam in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie heeft een breed scala aan toepassingen. Objecten met afmetingen in het nanometerbereik, zoals de moleculaire bouwstenen van levende cellen of nanotechnologische apparaten, worden continu blootgesteld aan willekeurige trillingen vanwege de thermische beweging van de moleculen om hen heen. Naarmate de miniaturisatie steeds kleiner wordt, zullen nanomachines steeds meer willekeurige omstandigheden ervaren. Verdere studies zullen worden uitgevoerd om de fundamentele fysica van systemen op nanoschaal uit evenwicht te belichten. Het geplande onderzoek zal van fundamenteel belang zijn om ons te helpen begrijpen hoe nanomachines presteren onder deze fluctuerende omstandigheden.